德國CINC連續(xù)離心萃取器給兩相(生物)催化反應(yīng)帶來的巨大機(jī)遇
荷蘭格羅寧根大學(xué)案例】德國CINC連續(xù)離心萃取器給兩相(生物)催化反應(yīng)帶來的巨大機(jī)遇
間歇生產(chǎn)是精細(xì)化學(xué)品制造的嶄新技術(shù),,因?yàn)槭褂玫姆磻?yīng)器針對不同的工藝表現(xiàn)出了多用性,。然而,使用間歇反應(yīng)器有一些巨大的缺陷:對于大批量生產(chǎn),,必須進(jìn)行多次間歇運(yùn)行,,這常常導(dǎo)致不同批次間產(chǎn)品的質(zhì)量和性能不穩(wěn)定。此外,,生產(chǎn)率往往低于的連續(xù)反應(yīng)器,,而且因?yàn)槠鋭趧?dòng)密集型的特點(diǎn),導(dǎo)致維修成本非常高,。然而,,連續(xù)工藝對此則表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢。此外,,在小流量反應(yīng)器中的連續(xù)生產(chǎn)對于使用或生產(chǎn)高毒性和/或爆炸性物質(zhì)的反應(yīng)非常有利,。
基于這一分析,許多科研小組已經(jīng)開始研究過程強(qiáng)化的概念,,其目的是發(fā)展小型反應(yīng)器或?qū)⒎磻?yīng)器與分離相結(jié)合,。這一領(lǐng)域突出的研究無疑是微反應(yīng)器的使用。Poechlauer和他的同事們近報(bào)道了使用微結(jié)構(gòu)反應(yīng)器進(jìn)行噸級的Ritter反應(yīng),。和田和吉田報(bào)道了微反應(yīng)器中格里納德交換反應(yīng)的中試規(guī)模生產(chǎn),。還有學(xué)者研究了酶作為催化劑在微反應(yīng)器中的應(yīng)用,。Ley和Baxendale發(fā)表了一系列論文,描述了微反應(yīng)器中的串聯(lián)反應(yīng),,其中試劑以固定的形式存在,。
連續(xù)流反應(yīng)器中的串聯(lián)催化原理是一個(gè)非常有趣的問題。為了整體,,每一級反應(yīng)器中都要達(dá)到高轉(zhuǎn)化率,。然而,并沒有多少反應(yīng)其速度快到可以用在微反應(yīng)器中,,因?yàn)槲⒎磻?yīng)器的停留時(shí)間通常只有幾秒,。此外,這些概念中的反應(yīng)器并不總是容易放大到噸級,。
荷蘭格羅寧根大學(xué)的Gerard N. Kraai等學(xué)者使用實(shí)驗(yàn)臺(tái)規(guī)模的德國CINC連續(xù)離心萃取器系統(tǒng)研究了化學(xué)和生物催化反應(yīng),,取得了重要的成果,并于2008年發(fā)表在《Angewandte Chemie》雜質(zhì)上(Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3905 –3908),。
該裝置是一種接觸式連續(xù)離心萃取器(CCS),,只有實(shí)驗(yàn)臺(tái)規(guī)模大小,用于油水分離(如清理溢油),、連續(xù)萃取發(fā)酵產(chǎn)物(如青霉素和苯丙氨酸)以及在原子廢物工業(yè)中用于提取和凈化放射性廢物,。圖1展示了CCS的結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)離心機(jī),。在轉(zhuǎn)子外部與外殼體內(nèi)部的小環(huán)形混合區(qū)引入了不互溶的液液兩相,。在這里,兩相之間發(fā)生了非常且快速的混合,,非常有利于兩相催化反應(yīng),。而后分散相被吸進(jìn)離心機(jī),在那里兩相逐步但非常有效地分離,,同時(shí)向上移動(dòng),,之后通過不同的出口離開設(shè)備。
圖1
之前還沒有報(bào)道使用CCS作為化學(xué)反應(yīng)器,。此離心機(jī)可以用于在間歇模式下連續(xù)地從蔗糖的酶轉(zhuǎn)化過程中分離出聚合產(chǎn)物(右旋糖酐),。在液液兩相(催化)反應(yīng)中使用CCS具有潛在的吸引力,。在這種情況中,環(huán)形區(qū)域作為反應(yīng)器,,離心機(jī)作為液液分離器,。de Bellefon和Claus等學(xué)者報(bào)道了流動(dòng)裝置中的兩相催化,,但沒有完整的相分離,。Ryu和他的同事報(bào)道了一個(gè)微反應(yīng)器中的兩相Heck反應(yīng),,其中含有鈀催化劑的相是離子液體。在這種情況下,催化劑的分離和回收是*結(jié)合的,。通過連接一系列這樣的設(shè)備,使用不同類型催化劑的串聯(lián)催化在原則上是可能的,,如圖2所示,。
圖2
作者測試了CCS對葵花油連續(xù)生產(chǎn)生物柴油的效率。該反應(yīng)是典型的液液催化反應(yīng),。在高溫(60℃)下,,以葵花油和6倍摩爾過量的甲醇為實(shí)驗(yàn)對象,使用堿性催化劑(NaOMe,,1% w/w相對于葵花油),。CCS配備了加熱套,以確保等溫條件,??ㄓ捅活A(yù)熱到60℃,并以12.6 mL/min的流速泵入CCS的一個(gè)入口,,然后以3.1 mL/min的流速將MeOH中的NaOMe溶液泵入另一個(gè)入口,。約40分鐘后,體系達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),,含有部分殘留葵花油的脂肪酸甲酯(FAME)以輕相形式析出,,而重相為MeOH中的甘油溶液。調(diào)節(jié)不同的離心速度,,在這些條件下FAME的收率高可達(dá)到96%(圖3),。
圖3
轉(zhuǎn)速為30 Hz時(shí)轉(zhuǎn)化率達(dá)到大值。以更高速度旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)在分離時(shí)所增加的功率會(huì)導(dǎo)致發(fā)生反應(yīng)的混合相體積減?。▓D4),。當(dāng)離心機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí),混合過程的效率降低,,導(dǎo)致分散相液滴的平均尺寸增大,,從而降低了傳質(zhì)速率和轉(zhuǎn)化率。
圖4
利用所確定的工藝條件,,以61 kg/m3? min的產(chǎn)率生產(chǎn)生物柴油,,比典型間歇法42 kg/m3? min的產(chǎn)率更高。此外,,目前的工藝效率更高,,因?yàn)闆]有單獨(dú)的分離步驟,可以省去不同批次之間的反應(yīng)器清洗步驟,。
接下來,,作者研究了用CCS進(jìn)行酶催化轉(zhuǎn)化的潛力。大多數(shù)酶在水環(huán)境中功能,因此是在CCS中測試的理想催化劑,。由于酶很容易受到剪切力的破壞,,因此采用低混合底板的CCS。該底板與離心機(jī)周圍的保護(hù)筒連接,,從而避免了進(jìn)入的液體與旋轉(zhuǎn)離心機(jī)直接接觸,。以油酸和1-丁醇為模型反應(yīng),研究了Rhizomucor miehei脂肪酶催化油酸與1-丁醇的酯化反應(yīng)(Scheme 1),。
脂肪酶催化油酸和乙醇的反應(yīng)已經(jīng)為人所知,,但作者發(fā)現(xiàn)用1-丁醇代替乙醇所得到的轉(zhuǎn)化率要高得多。另外,,作者還介紹了用青霉菌coryophilum的粗提取物在膠束體系中將丁醇和油酸酯化的方法,。在間歇模式下,盡管存在大量過剩的水,,這個(gè)反應(yīng)仍然*轉(zhuǎn)化,。據(jù)推測,該反應(yīng)是由反應(yīng)物的親脂性引起的,。在第1組系列實(shí)驗(yàn)中,,使用了一種有機(jī)相,組成為庚烷中油酸(0.6 mol/L)和1-丁醇(0.9 mol/L)的混合物,。水相由在pH=5.6的磷酸鹽緩沖液中的R. miehei脂肪酶(1 g/L)溶液組成,。作者首先研究了兩相流量和離心機(jī)轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)化率的影響(圖5)。在這些條件下,,作者發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速為40 Hz,,兩相流量均為6 mL/min時(shí)達(dá)到了高的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化率(70%)。轉(zhuǎn)化率顯示了與每相流量相關(guān)的一個(gè)明顯的大值,。在較低的流速下,,CCS中以混合相為代價(jià)進(jìn)行了更有效的相分離,其效果可與高轉(zhuǎn)速相媲美,。在較高的流速下,,CCS中的停留時(shí)間過短,也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率降低,。在這種特殊情況下,,每相的流速為6mL/min。與生物柴油的情況相似,,離心機(jī)轉(zhuǎn)速對油酸的轉(zhuǎn)化率有著較大的影響,,高點(diǎn)值為40 Hz。
圖5
使用上述確定的很佳條件,,在較高的酶負(fù)荷下(3.0而非1.0 g/L)進(jìn)行脂肪酶催化酯化反應(yīng)(圖6),。大約2小時(shí)后,,轉(zhuǎn)化率變得相當(dāng)穩(wěn)定并在78~87%之間波動(dòng),平均82%,,重復(fù)性良好,。
圖6
在之前的實(shí)驗(yàn)中,酶溶液均為單次使用,。為了提高酶的循環(huán)次數(shù),,作者進(jìn)行了酶溶液連續(xù)循環(huán)和有機(jī)相部分循環(huán)的實(shí)驗(yàn)。有機(jī)相回收率為90%,,油酸轉(zhuǎn)化為油酸丁酯的轉(zhuǎn)化率接近80%(圖7),反應(yīng)器在此模式下運(yùn)行了13h,,每克酶可產(chǎn)生486 g油酸丁酯,。雖然隨著時(shí)間的推移轉(zhuǎn)化率會(huì)有所下降,但考慮到離心機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn),,可以認(rèn)為酶在這段時(shí)間內(nèi)保持了顯著的穩(wěn)定性,。酶的穩(wěn)定性仍然是未來發(fā)展的關(guān)鍵問題。圖7中觀察到的催化劑失活可能有許多不同的原因:有可能的假設(shè)是,,作為酶抑制劑的有機(jī)組分在水相中積累,。這一假設(shè)目前正在求證中。
圖7
實(shí)驗(yàn)結(jié)論:
1. 在實(shí)驗(yàn)臺(tái)規(guī)模大小的德國CINC連續(xù)離心萃取器中進(jìn)行連續(xù)的化學(xué)和生物催化轉(zhuǎn)化是可能的,,也是非常有利的,;
2. 即使在目前可以放在通風(fēng)柜里的低成本設(shè)備中,也有可能在幾天內(nèi)生產(chǎn)100 kg的化學(xué)品,;
3. CINC連續(xù)離心萃取器為已經(jīng)成熟商業(yè)化的連續(xù)反應(yīng)分離器,,具備很好的規(guī)范性和通用性。隨著CCS大規(guī)模投入市場,,利用兩相催化連續(xù)生產(chǎn)噸級精細(xì)化工產(chǎn)品的前景將變得十分廣闊,。
參考文獻(xiàn):
doi: 10.1002/anie.200705426
Zwol F V , Scuur B , Kraai G N . Two-phase (bio)catalytic reactions in a table-top centrifugal contact separator[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2010, 47(21):3905-3908.
公司簡介:
深圳市一正科技有限公司,作為荷蘭Chemtrix公司(微通道反應(yīng)器),、英國AM公司(連續(xù)多級攪拌反應(yīng)器,、催化加氫系統(tǒng)、連續(xù)結(jié)晶器),、德國CINC(連續(xù)離心萃取器)在中國區(qū)的代理商和技術(shù)服務(wù)商,,為廣大高校和企業(yè)提供連續(xù)合成、在線萃取,、連續(xù)結(jié)晶,、在線過濾干燥、在線分析等整套連續(xù)工藝解決方案,。
公司與復(fù)旦大學(xué),、南京大學(xué),、中山大學(xué)、華東理工大學(xué),、南京工業(yè)大學(xué),、浙江工業(yè)大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)等高校研究機(jī)構(gòu)合作成立微通道連續(xù)流化學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,,致力于推動(dòng)連續(xù)流工藝在有機(jī)合成,、精細(xì)化工、制藥行業(yè),、能源材料,、食品飲料等領(lǐng)域的應(yīng)用,合作實(shí)驗(yàn)室可以為客戶的傳統(tǒng)間歇釜式工藝在連續(xù)流工藝上的轉(zhuǎn)變提供工藝驗(yàn)證,、連續(xù)流工藝開發(fā)工作,,促進(jìn)制藥及精細(xì)化工企業(yè)由傳統(tǒng)間歇工藝向綠色、安全,、快速,、經(jīng)濟(jì)的連續(xù)工藝轉(zhuǎn)變。
公司與荷蘭Chemtrix B.V.在浙江臺(tái)州,、江蘇南京合作組建了連續(xù)流微通道工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)中心(以下簡稱“工業(yè)化技術(shù)中心”),,旨在打造集連續(xù)流微通道工藝開發(fā)、中試試驗(yàn),、工業(yè)化驗(yàn)證,、技術(shù)交流于一體的綜合性連續(xù)流微通道應(yīng)用技術(shù)服務(wù)中心,以為廣大生物醫(yī)藥企業(yè),、化工類企業(yè)提供專業(yè),、完善的智能化連續(xù)流工藝整套系統(tǒng)解決方案及技術(shù)服務(wù)方案。